Numerical examination of floating offshore wind turbine and development of an innovative floating platform design

Abstract

Harvesting offshore wind energy has been a primary stimulus for research recently as more shreds of evidence show the highly unexploited potential it carries. As water depth increases, fixed-bottom foundations become impractical and floating solutions must be adopted for offshore wind turbines. The underlying causes of high demands to reach accurate numerical simulation of floating offshore wind turbines are a plethora. The system's nonlinearities impose a serious challenge on the estimation of system responses, power production, and fatigue loading. Proper simulation of environmental stochastic loading from wind and wave plays a critical role in the analysis of such systems. The floating platforms govern the integrity of the entire system. There are different kinds of existing platforms like semi-submersible, spar, tension leg, etc. However, attempts to reduce hydrodynamic and aerodynamic-induced mean and dynamic excitations continue. This study examines the performance of a semi-submersible platform numerically using a hydro-aero coupled model and compares the results with the benchmark experimental data and other numerical model studies. A comparative study shows the present model depending on the second-order potential theory, and the dynamics of the mooring cables agrees well with the experimental results. A spar type platform is also modeled for mid-depth conditions. Moreover, a novel floating platform is developed and compared to existing alternatives in the field. The proposed platform achieves better stability in terms of mean offsets and dynamic oscillations, especially in pitch at extreme conditions. Another extinct feature of the design is the diminished tensile strain in the mooring lines for a relatively shorter cable length and equal linearized horizontal stiffness.

Açık denizde rüzgar gücünün karaya göre çok daha yüksek olması nedeniyle, açık denizdeki rüzgardan enerji elde edilmesi, yenilenebilir enerjinin yaygınlaşması açısından gün geçtikçe önem kazanmaktadır. Deniz suyu derinleştikçe karadaki türbinler gibi tabana oturan sabit sistemler (kazık gibi) ekonomik bir çözüm olma niteliğini kaybetmekte ve yüzer platformlar tercih edilmektedir. Yüzer türbin sistemlerinde görülen doğrusal olmayan problemlerin çözümü, sistemin davranışlarının tahmin edilmesi, enerji elde etme ve yorulma problemlerinin incelenmesi açısından kritiktir. Dolayısıyla doğru ve güvenilir bir yüzer rüzgar türbini modellemesi konusunda çalışmalar devam etmekte ve önem kazanmaktadır. Deniz üstü yüzer türbinlerinde yüzer platform, sistemin bütünlüğü ve stabilitesi için en önemli yapıdır. Yarı-batık, spar (direk), TLP gibi çeşitli yüzer platformlar bulunmakla birlikte hidrodinamik ve aerodinamik kaynaklı hareketlerin azaltılarak daha stabil ve ekonomik yüzer platform arayışları sürmektedir. Bu çalışmada, öncelikle yarı-batık bir yüzer platform, geliştirilen hidro-aero analizi akuple edilmiş bir sayısal modelle incelenmiştir. Geliştirilen model hem röper kabul edilen güvenilir ve kullanıma açık hidrolik model deneyleri sonuçlarıyla, hem de aynı yarı-batık platformu modelleyen dünya çapında başka araştırmacıların kullandığı modellerle elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Sonuçlar geliştirilen modelin deney değerleriyle oldukça uyumlu ve diğer kodlara göre deney sonuçlarına daha yakın deplasman, rotasyon ve kuvvet değerleri verdiğini göstermiştir. Daha sonra analitik yöntemler ve geliştirilen modelleme kullanılarak spar tipi bir platformun da en başından tasarımı yapılmıştır. Ayrıca yeni bir platform tipi geliştirilmiş ve performansı yarı-batık ve spar platformlarla karşılaştırılmıştır. Yeni platformun özellikle baş-kıç vurma rotasyonu diğer platformlara göre çok daha düşük çıkmıştır ki baş-kıç vurma rüzgar türbini ve enerji elde edilmesinde en önemli serbestlik derecesi olarak kabul edilmektedir. Yeni platformun diğer bir avantajı da bağlanma zincirlerinde oluşan düşük gerilmedir.